紅馬利筋甲蟲基因組為植物與昆蟲相互作用提供了演化見解

研究常見的紅色馬利筋甲蟲如何安全地以有毒植物為食的秘密有助於從基因組角度闡明昆蟲與植物相互作用的生態、進化和經濟影響。

儘管紅色馬利筋甲蟲與經過近150 年的研究，阿肯色州農業實驗站的一位科學家最近與孟菲斯大學和威斯康辛大學奧什科甚分校的同事一起做了一件其他人沒有做過的事情：整理甲蟲的基因組及其與植物相關的基因庫。

研究人員對宿主專長馬利筋甲蟲（Tetraopes tetrophamus）的整個基因組進行了定序和組裝。然後，他們將基因組生物學的各個方面與一種近親——亞洲長角甲蟲（光肩星天牛）進行了比較，這是一種外來入侵物種，以多種對林業重要的樹木為食。

他們的研究「從紅馬利筋甲蟲基因組對化學感覺和特殊食草性的功能和演化見解」是發表在遺傳雜誌。

該研究的主要作者里奇·亞當斯（Rich Adams）說：「從生物學的角度來看，有很多對應關係表明，馬利筋甲蟲與其有毒馬利筋宿主之間的長期相互作用應該會影響兩個相互作用夥伴的生物學。 “但是，到目前為止，還沒有人組裝出馬利筋甲蟲基因組，這為解決昆蟲和植物之間的許多有趣問題打開了大門。”

亞當斯是昆蟲學系農業統計學助理教授阿肯色大學系統農業部。他也是農業數據分析中心（實驗站的新舉措）的成員，並在戴爾邦珀斯農業、食品和生命科學學院教授統計課程。

科學發展

乳草和乳草甲蟲（Tetraopes 屬）在一個多世紀的生態、演化論、、毒素的生物化學等，亞當斯說。亞當斯解釋說，它們還提供了昆蟲和植物之間共同分化模式的有趣且令人信服的案例，這意味著植物和昆蟲在相互作用的歷史中共同進化的時間上具有相似性。

研究小組表明，紅色乳草甲蟲的 ABC 運輸家族基因明顯擴展，這可能有助於它們以乳草為食，並將其毒素隔離在甲蟲組織中。馬利筋以其有毒的乳膠混合物而聞名，它會影響維持心臟細胞跳動的鈉、鈣和鉀的平衡。亞當斯說，這個基因組提供了對甲蟲進化到與其有毒馬利筋宿主安全相互作用的基因的深入了解。

「馬利筋會產生一種特別令人討厭的毒素，稱為強心配醣體，以及隨之而來的其他類型的毒素，」亞當斯說。 「對於許多吃它的昆蟲來說，毒素會阻塞它們的鈉鉀泵。但是這種甲蟲開發了一種方法，不僅可以抵抗毒素，還可以隔離它，保留它，以確保甲蟲本身免受可能的-成為掠食者。

該研究還找出了負責嗅覺、味覺和代謝酶的基因的差異，這些酶可以很好地降解植物細胞。亞當斯說，它為探索長角甲蟲和其他食草甲蟲專門以植物為食的生態和演化提供了一個新的有利位置。

在農業、人類健康方面的應用

這些發現可能有助於我們了解和識別導致農業和林業害蟲的遺傳因素，使它們能夠成功地以植物為食，並逃避控制措施。大多數能夠消化木本植物材料的動物依靠腸道中的微生物來分解植物細胞壁。然而，許多食草甲蟲卻不然。

亞當斯說，許多以植物為食的甲蟲，包括長角甲蟲，透過微生物的水平基因轉移獲得了分解植物細胞壁的能力。他說，透過觀察甲蟲基因組內編碼的蛋白質的多樣性，科學家可以了解甲蟲生物學、演化和多樣性的基因組基礎，以及它們與植物相互作用的傾向。

亞當斯說：“大自然已經創造了令人難以置信的基因和基因組多樣性，但我們尚未破解。” 「了解這種多樣性對於為農業、林業和人類健康提供資訊具有巨大的希望。食草甲蟲在沒有代謝酶的情況下將很難以植物為食，因為沒有代謝酶它們就無法有效地進食。”

除了研究馬利筋甲蟲的基因組 DNA 之外，研究小組還收集了雄性和雌性紅馬利筋甲蟲觸角的 RNA，以了解更多關於它們如何透過化學感應尋找配偶和食物的資訊。

「更多地了解化學感應生物學？生物體如何感知其環境，例如感知宿主植物或繁殖夥伴？對於理解昆蟲與植物的相互作用具有廣泛的相關性，這與農業和林業密切相關，」亞當斯說。

RNA 譜為四足動物提供了第一個轉錄組資源。轉錄組包含一系列被轉錄成有機體在組織或細胞組中表現的 RNA 分子。

Adams 解釋說，DNA 提供基因序列，RNA 提供「基因及其表達的更好分辨率，包括基因生成的頻率」。

更多資訊：Richard Adams 等人，從紅色馬利筋甲蟲、四眼四眼蟲（天牛科：唇形科）基因組中對化學感受和特殊食草性的功能和進化見解，遺傳雜誌（2024）。DOI：10.1093/jhered/esae049

阿肯色大學系統農業部提供